成都轨道交通30号线星月站基坑降水技术

张 昀, 谢 涛, 杨海华

(1.中交第二公路工程局有限公司, 陕西西安 710065;2.中交二公局铁路建设有限公司, 陕西西安 710065)

0 引言

降水工程是基坑工程的重要组成部分,基坑开挖前一般都要进行降排水,以控制地下水位,为基坑开挖创造安全有利的施工环境。工程中,由于对水文地质条件与工程地质条件的认识不足、地下水控制措施不到位引起的深基故事故时有发生[1-2],造成重大损失。

星月站为30号线第三座车站,位于大件路与西航港大道交叉路口东北处,车站呈偏东西向布置。车站为地下3层岛式车站,为普通站。车站主体结构总长为159 m,标准段宽20.3 m,顶板覆土厚度为3.50～3.95 m。车站总建筑面积15 002 m2。本站主体与A口附属部分的基坑同时开挖,开挖边长为168.4 m,深度约11.4～26.47 m。车站主体基坑共设置4道支撑,其中第一道为混凝土支撑,第二道～第四道支撑为钢支撑,桩间采取网喷支护。采用坑外管井降水与坑内集水明排相结合的形式降排水,本基坑共设置21口降水井,其中17.5 m深降水井11口,22.5 m深降水井10口,其中JSJ-2、JSJ-6和JSJ-13同时兼作观测井。实际施工表明,星月站降水措施设计合理,施工方法应用得当,取得了良好的降水效果,为基坑工程的安全顺利进行提供了有力支撑。本文详细阐述了星月站的水文地质条件、降水井设计、降水井施工技术及降水效果模拟分析与实测值对比情况,可供类似工程参考。

1 工程地质与水文地质

1.1 工程地质概况

根据勘察报告提供的有关资料,成都轨道交通30号线一期星月站主要地层自上而下分别为:<1-2>杂填土(Q4ml)、<3-2-3>粉质黏土(硬塑)(Q3fgl+al)、<3-8-1>卵石土(稍密)(Q3fgl+al)和<5-1-3>中等风化泥岩(K2g)。其中,<3-8-1>卵石土是主要赋水层。

1.2 水文地质条件

1.2.1 地表水

场地范围内,地表水不发育。其次为道路两侧排水、排污管沟,水量较小。

1.2.2 地下水的类型及赋存

场地内的地下水主要有2种类型:一是粉质黏土、黏土层及人工填土层中的上层滞水;二是第四系松散地层中的孔隙水;三是基岩中的裂隙水。

1.2.2.1 上层滞水

本场地中的上层滞水主要存储于地表人工填土层、粉质黏土层中,大气降水、雨水沟、污水沟内的暂时性流水渗漏为其主要补给源。水量小,对车站影响较小。

1.2.2.2 第四系孔隙水

场地内该层地下水主要存储于第四系上更新统的砂、卵石土中,水量较丰富,为孔隙潜水,受地形和上覆土层控制,具微承压性,地下水埋深一般为5.30～6.70 m,地下水平均埋深在5.89 m左右。孔隙水主要受大气降水补给,少量接受上覆地层下渗补给,局部接受侧向补给。该层地下水对车站工程影响较大。

1.2.2.3 基岩裂隙水

场地区内基岩裂隙水的含水量较小,对车站工程影响小。但不能排除局部裂隙发育地段存储藏一定的裂隙水,对基坑开挖造成影响。

1.2.3 地下水补给、径流、排泄及动态特征

本场内地下水的主要通过大气降雨和地表水渗入补给。

地下水位特别是上层潜水水位动态与大气降雨关系最为密切,水位峰谷值出现时间与降雨量峰谷值出现的时间基本一致。根据区域水文资料,水位随降雨季节开始而回升,随旱季到来而下降,年平均水位变幅1.2～3.5 m。本次勘察期间,场区地下水埋深较深,地下水埋深5.30～6.70 m,标高490.24～491.32 m,水位起伏大。

2 降水相关参数及设计计算

2.1 降水相关参数确定

2.1.1 渗透系数K选取

根据详细勘察报告及成都地铁降水经验,场地内各岩土层的透水性及渗透系数按表1取值。

表1 各岩土层透水性及渗透系数取值

2.1.2 含水层厚度(H)确定

本场地勘察期间地下水埋深一般为5.30～6.70 m,考虑成都地区雨季降水充沛,对地下水的补给较强,地下水位埋深按原地面下2 m考虑,取494.00 m。根据详勘报告描述场区地下水主要为赋存在砂卵石土中的孔隙水,结合详勘图纸含水层底标高取值477.00 m。故含水层厚度取值H=17 m。

2.1.3 水位降深(SW)确定

由于车站结构底板位于微透水层的泥岩中,且该层地下水主要通过集水明排方式疏干,管井降水不明显,所以水位降深按强透水的卵石土与微透水层泥岩交界面考虑。水位降深取值SW=17 m。

2.2 降水设计计算

(1)降水影响半径计算。本场区降水主要为降低地下潜水,降水影响半径参照潜水含水层影响半径计算见式(1)。

(1)

(2)基坑计算半径计算。区降水区域近似为矩形,基坑计算半径r0参照矩形式(2)计算。

(2)

式中:a为基坑宽度,取值25.25 m;b为基坑长度,取值168.4 m;η为系数,取值1.0。

(3)基坑总涌水量计算。 基坑涌水量时,将基坑简化为大井,采用式(3)进行计算。

(3)

(4)单井出水量计算。井单井设计出水量q按式(4)确定:

(4)

式中:r为过滤器半径,取值0.15 m;l为过滤器进水部分长度,取值2.5 m。

(5)降水井数量计算。井数量按式(5)计算。

(5)

(6)降水井深计算。降水井深度按式(6)计算。

h=HW1+HW2+HW3+HW4

(6)

式中:HW1为原地面到降水位点的深度,结合降水断面底部的实际地层层分布取值13.6 m和17 m;HW2为ir1,i为水力梯度,r1为降水井排间距的一半(m);HW3为过滤器工作长度(m);HW4为沉沙管长度(m)。

由于井管标准节长度为2.5 m,考虑井口位置做成埋深1 m的砖砌圆井,基坑两端分布降水井深度取值h1=17.5 m,基坑中间分布降水井深度取值h2=22.5 m。

3 施工工艺技术

3.1 技术参数

3.1.1 降排水系统布置

本站设有降水井21口,均沿基坑开挖边单排布置,整体呈环形封闭状,与围护桩净距1.0 m。降水分两段,1～11号井为一段,12～21号井为一段,分别通过集水总管汇总接入围挡内侧排水沟中。具体井位布置如图1所示。

图1 星月站降水进井平面布置(单位:m)

3.1.2 降水井结构参数

降水井结构采用无砂滤水水泥管和钢筋混凝土实心管结合,井管直径300 mm,壁厚30 mm,井深17.5 m和22.5 m,从下到上井管结构依次为5或7根滤水管+2根实心管,每根管长2.5 m。为了防止降水过程中土体颗粒的流失,滤水管外包裹一层50目和100目滤网。井管与井壁间用粒料填充,地面2 m以下范围采用圆砾填充,地面下2 m范围内采用黏土填充。

3.1.3 水泵及管道参数

根据涌水量、单井出水量的计算结果及设计出水深度,选用QS25-38型潜水泵,流量25 m3/h,扬程38 m,电机功率4 kW,日抽水量为25×24=600 m3/d,水泵管为φ50 mm钢管,集水总管为φ180 mm钢管。

3.2 降水井施工工艺

3.2.1 管线探挖

降水井施工必须先探后钻,井孔施工前需结合施工现场已进行的探挖工作,来对管井施工范围采取有针对性的探挖工作,探挖方式根据管线探挖具体操作要求进行。

3.2.2 成孔

本工程降水井采用冲击钻成孔、泥浆护壁的施工工艺。

(1)测放井位。根据降水井具体位置进行井位放样,并用钢筋做好井位十字护桩。

(2)埋设护筒。为保护孔口,钻孔前需埋设钢护筒。钢护筒内径应大于井径20 cm,深度不小于2.0 m。护筒顶面宜高出地面30 cm,并在护筒上口设置进浆口。中心与降水井中心应重合,周边用黏土夯实。

(3)钻机就位、调整。钻机就位前对主要机具设备进行检查验收。钻机搭设地面应平整坚实,钻机支架、底座要坚固平稳,不得产生位移和沉降。为了保证钻机的稳定,必要时采取拉设缆风绳等措施进行固定。

(4)钻进施工。降水井成孔φ600 mm,采用冲击钻或旋挖钻钻进,泥浆护壁。钻进过程中需保持泥浆稠度和浆液高度,严防井孔坍塌。在流砂层或泥浆渗漏严重的地层中,应增大泥浆比重。当遇不透水的黏土层时,为防止在孔壁形成薄泥皮层,影响降水井出水量,成孔后应进行二次扩孔,扩孔直径应比原设计井径大50～100 mm。

3.2.3 井管安装

井管采用混凝土管,管外径φ300 mm,壁厚30 mm,每根长2.5 m,采用管道系绳法人工下管。井管安装需按照井壁设计结构,5或7根滤水管+2根钢筋混凝土实心管的顺序依次编号安装。下管前,应清孔换浆,清除井底的沉渣,并测量孔深,确保满足设计孔深要求;对井管逐根进行检查、丈量、记录,并封堵沉淀管底部。为保证井管下放垂直度和壁间填砂层厚度,应在滤管上下各加一组扶正器。管节接头处竖向采用4～8条扁竹条搭接固定,竹条一般长2～3 m、宽30 mm,并包裹一层50目和100目滤网。管节应垂直下放,且保持在井孔中心,自然落下,不能强力下压,以免毁坏过滤结构。

3.2.4 井壁填砾与管外封闭

(1)井管下放到位后,及时用圆砾回填井管和井壁间空隙,回填时确保井壁四周填层密实均匀。滤料上方用粘土封堵,黏土封堵厚度为2 m。

(2)井内含水层段的滤料应具有良好的磨圆度,含泥量(含石粉)应小于3%,粒径控制在5～15 mm。含水层以上砾料的磨圆度和粒径方面的要求可适当降低,但严禁采用片状或针状的石屑。

(3)井内填料应均匀、填料速度不可过快,以免造成滤管偏斜,洗井后若出现滤料下沉现象,应及时补充滤料。

3.2.5 洗井

井管四周充填圆砾后立即洗井,以清除残留在孔内与孔壁周围的泥浆。采用活塞与压缩空气联合洗井。

4 降水效果分析

以上采用大井法分析了降水井单井流量、总流量等降水指标,对于基坑降水有重要指导意义,但仍无法分析预测降水效果。Seep/W软件是基于非饱和土理论的渗流数值模拟软件,主要用于多孔介质中地下水的渗流模拟研究,分析结果受到业内一致认可,已在岩土工程[3-4]、水利工程及灾害防治工程[5-8]领域得到广泛应用。

为了预测分析本降水工程的降水效果,进一步指导降水工程实践,本文采用Seep/W进行了降水渗流分析,主要研究降水期间渗流场分布及降水井降水情况。

4.1 Seep/W非饱和土渗流控制的控制方程

Seep/W中用于非饱和土渗流的控制方程是Richards方程[1]。1931年,Richard将Darcy定律应用于非饱和流,推导得出非饱和渗流的基本微分方程[10]见式(7)。

(7)

式中:k(θ)x为x轴方向的水力传导率;k(θ)y为y轴方向的水力传导率;k(θ)z为z轴方向的水力传导率;H为总水头;Q为流量边界;θ为土壤体积含水率;t为时间。采用该公式,依据相应边界条件,Seep/W可对模型中每一个网格进行求解,从而获得每个节点的相应数值解。

4.2 有限元模型

模型长度设置为223 m(基坑两侧各100 m),模型高度取50 m。模型网格均设置为矩形网格,边长1.5～2 m。整个有限元模型包含3 078个单元,3 220个节点,如图2所示。

图2 降水有限元模型

4.3 材料与边界条件

分析时对模型进行了一定简化,主要考虑了场地内<3-2-3>粉质黏土、<3-8-1>卵石土和<5-1-3>中等风化泥岩。各层均采用摩尔库仑本构进行模拟,渗透参数如表1所示,土水特征曲线和水力传导曲线选用了Seep/W内置的相似土层的相关参数。渗流分析边界主要有水头边界和流量边界,根据降水工程的实际水力边界情况,本次分析模型的左右边界设为总水头边界,总水头44 m,降水井设为压力水头边界,压力水头为0。

4.4 模拟结果分析

利用软件Seep/W建模进行瞬态分析,模拟降水井运行90天内的降水效果,主要分析降水期间的地水下渗流场分布情况和单井出水量。模拟时共设置了9个分析时步,由于降水初期流场变化较大,分析时指定分析时步按指数方式增加。

图3为分析所得的初始渗场压力水头分布情况,由图可知,场地内初始压力水头随深度呈线性增长,与理论分析一致。

图3 初始渗流场分布

图4给出了单井出水量随时间变化曲线,从图中可以看出,降水开始时单井出水量约为0.006 m3/s,与采用经验公式估计的单井最大出水量较接近。但随着降水的持续,单井出水量迅速减小,至第30天减小至约0.001 m3/s,而且趋于稳定。

图4 单井出水量随时间变化曲线

分析表明,降水至第10天时,基坑范围内主要地下水含水层<3-8-1>卵石土中的水已被疏干,基坑内地下水位降至卵石土与中等风化泥岩接触面以下约2 m。随着降水时间的延长,地下水位不再下降,趋于稳定。图5为降水至90天时的地下水渗流场分布图,从图中可以看出,降水至90天时仍无法有效降排中等风化中的地下水。造成这一现象的原因是,卵石层是本场地的主要含水层,水量丰富,渗透系数较大,随着降水的进行,场地外围该层中的地下水会不断地涌入场地,持续补给。而<5-1-3>中等风化泥岩中含水量较小,且渗透系数很小,因此很难被疏干。

图5 降水90天时的渗流场分布

图6给出了模拟分析与实测降水井降深与时间关系曲线,从中可以看出,SEEP/W模拟分析所得的累计降深较实测值大约2.0 m,但与实测的累计降深与时间的关系趋势非常接近。采用SEEP/W准确预测了降水过程中地下渗流场的分布情况,为本工程的安全施工提供了有力支撑。

图6 降水井累计降深与时间关系曲线

5 结束语

基坑降水工程的成败事关基坑工程的顺利进行,成都轨道交通30号线星月站基坑工程深达26.47 m,场地内主要地层为粉质黏土、卵石土和中等风化泥岩。卵石层较厚,富含地下水,渗透系数较大,与基坑周边地层水力联系紧密,补给源丰富,基坑降排水难度大。本文采用SEEP/W准确模拟了降水过程中地下水渗流场分布情况,分析结果表明,由于中等风化泥岩渗透系数小,很难疏干其中的地下水,因此本工程施工时采用了坑外管井降水和坑内集水明排的形式。由于降水措施得当,本工程的降水效果得到有效保证。现场监测数据亦表明,降水过程中仅疏干了卵石层的地下水,中等风化泥岩中的地下水始终无法得到有效降排。